復(fù)合材料某薄壁板多梁零件成型工藝方案優(yōu)化

王韜 呂永慧 劉磊

摘 要： 本文針對復(fù)合材料某薄壁板多梁零件易在縱梁端頭位置，縱梁與蒙皮界面處發(fā)生層間分層的問題，做了大量研究，根據(jù)分析得到的缺陷來源，制定了相應(yīng)的工藝優(yōu)化方案，最終改善了零件的分層缺陷問題，提升了產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 某薄壁板多梁零件；層間分層；工藝方案優(yōu)化

復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕抗疲勞等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。[1]但由于復(fù)合材料零件屬于層合結(jié)構(gòu)，層間分層是復(fù)合材料零件缺陷的主要表現(xiàn)形式。特別是對于某薄壁板多梁結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料零件，由于梁與壁板間結(jié)合力弱，更易在制造過程中產(chǎn)生分層缺陷。本文研究的某壁板多梁結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料零件還具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、梁與壁板間無合適膠膜進(jìn)行粘接、原材料為工藝性較差的濕法制備雙馬樹脂體系預(yù)浸料的特點，因此多在梁端頭位置，壁板與梁的界面處出現(xiàn)分層缺陷。本研究認(rèn)真分析了缺陷來源，針對原因依托PDCA質(zhì)量環(huán)（計劃-執(zhí)行-檢查-修正）的工作方法采取了一系列的工藝改進(jìn)措施，有效改善了零件的內(nèi)部質(zhì)量。[2]

1缺陷來源分析

1.1金相試驗

在某薄壁板多梁零件截取典型分層試樣進(jìn)行金相掃描，取樣位置如圖1所示，試樣截面金相照片見圖2。從試樣截面來看，分層部位無氣泡及夾雜物，其中“C”形梁分層從縱梁腹板根部產(chǎn)生，向下緣條延伸； “工”形梁分層產(chǎn)生在縱梁下緣條0°纖維填充區(qū)域，分層缺陷形式為填充區(qū)域0°纖維與壁板間的破壞。根據(jù)金相照片，初步判斷分層缺陷為機(jī)械沖擊所致。

1.2 缺陷來源驗證

某薄壁板多梁零件制造過程中的機(jī)械沖擊有高溫后處理機(jī)械沖擊和脫模機(jī)械沖擊。

1.2.1高溫后處理機(jī)械沖擊

高溫后處理機(jī)械沖擊是指某薄壁板多梁零件在固化程序中，固化段結(jié)束后的高溫后處理階段（205℃±5℃保溫1h，215℃±5℃保溫6h），由于復(fù)合材料與普通鋼（H13）縱梁工裝熱膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致的工裝膨脹量較大而給零件帶來的機(jī)械沖擊。

對后處理前后的某薄壁板多梁零件進(jìn)行無損檢測，實驗結(jié)果如表1所示。

1.2.2脫模機(jī)械沖擊

某薄壁板多梁零件自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配套使用的工裝結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，對固化結(jié)束后的脫模造成難度，實際操作中的用力不當(dāng)會給零件造成機(jī)械沖擊。

對脫模前后的某薄壁板多梁零件進(jìn)行無損檢測，實驗結(jié)果如表2所示。

從表1和表2可以看出，某薄壁板多梁零件分層絕大部分產(chǎn)生在零件后處理及脫模過程中。由高溫后處理過程中的普通鋼縱梁工裝膨脹及脫模過程中對零件造成的機(jī)械沖擊所致。

2 工藝方案優(yōu)化

2.1 INVAR鋼縱梁工裝代替普通鋼縱梁工裝

針對普通鋼縱梁工裝熱膨脹在后處理過程中給零件造成機(jī)械沖擊的問題，采用熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近的INVAR鋼制造3根縱梁成型工裝（3#-3、4#、8#縱梁），用于某薄壁板多梁零件的制備。同時在僅有工裝差異的前提下生產(chǎn)該零件對稱件，記錄跟蹤該零件及其對稱件各9件的質(zhì)量情況，內(nèi)部分層缺陷數(shù)量對比如表3所示。

從對比實驗結(jié)果可以看出，采用與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相近的INVAR鋼縱梁工裝可減少高溫后處理過程中工裝膨脹對零件的機(jī)械沖擊，對零件內(nèi)部質(zhì)量提升有顯著效果。

2.2 使用脫模輔助工具

針對脫模過程中用力不當(dāng)給零件造成機(jī)械沖擊的問題，在脫模中使用專用的脫模輔助工具，同時在無工藝余量的縱梁成型工裝尾端增加工藝塊做為脫模著力點。通過以上工藝方案的完善，增加了脫模過程中的“硬防錯”保障，緩解了脫模過程中的機(jī)械沖擊，減少了內(nèi)部分層缺陷的產(chǎn)生。

采用上述方法，優(yōu)化工藝方案后，某薄壁板多梁零件的分層缺陷數(shù)量從3.6處/件降至1.2處/件，顯著降低了零件的分層超差數(shù)量。

3 結(jié)論

1）某薄壁板多梁零件分層部位為層間破壞，周圍無氣泡產(chǎn)生，分層缺陷為機(jī)械沖擊所導(dǎo)致，分層絕大部分產(chǎn)生在零件后處理及脫模過程中。

2）使用INVAR鋼縱梁工裝代替普通鋼縱梁工裝制造某薄壁板多梁零件可以緩解高溫后處理過程中對零件的機(jī)械沖擊，從而減少層間分層的產(chǎn)生。

3）使用脫模輔助工具可以緩解脫模過程中對某薄壁板多梁零件的機(jī)械沖擊，從而減少層間分層，提高零件內(nèi)部質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]陳際偉，孫璽，葉宏軍.QC方法提高復(fù)合材料制件質(zhì)量的研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2015，40（3）：49-54.